Tytuł oryginału:

50 Chemistry Ideas You Really Need to Know

Autor: Hayley Birch

First published in Great Britain in 2015 by Quercus Carmelite House

Copyright © Hayley Birch 2015

All rights reserved

Wydanie polskie:

Tłumaczenie Anna Władyka-Leittretter

Redakcja i korekta Ewa Czarnecka-Żołek

Projekt okładki i strony tytułowej Lidia Michalak

Ilustracja na okładce togej/123RF

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec /Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2021

ISBN 978-83-01-21566-8

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (wyd. I)

Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Wstęp

Chemia jest wśród nauk przyrodniczych często traktowana jak „popychadło”. Pewnego dnia rozmawiałam z chemiczką, która skarżyła się mi, że ma już dosyć tego, że jej dziedzina jest kojarzona z „grupą ludzi babrających się w cuchnących substancjach w laboratoriach”. Z jakichś względów chemia jest uważana za mniej istotną niż biologia i mniej ciekawą niż fizyka.

Zatem moją rolą jako autorki książki chemicznej jest zmiana tej perspektywy i usunięcie tej niechlubnej łatki, która przylgnęła do chemii. Niewiele osób bowiem zdaje sobie sprawę z tego, że chemia jest właśnie najdoskonalszą ze wszystkich nauk.

W zasadzie wszystko obraca się wokół chemii. Elementy budulcowe, takie jak atomy, cząsteczki, związki i mieszaniny, składają się na każdy gram materii na naszej planecie. Reakcje między nimi utrzymują procesy życiowe i tworzą wszystko, od czego zależy życie. Produkty tych reakcji – od piwa po skąpe szorty z lycry – są zarazem osiągnięciami naszej współczesnej cywilizacji.

Myślę, że powodem, dla którego chemia ma „problemy wizerunkowe” jest fakt, iż zamiast skupić się na istotnych, ciekawych rzeczach, za bardzo zagłębiamy się w reguły i prawa chemii, wzory struktur molekularnych, opisy reakcji itd. O ile chemicy mogą twierdzić, że te zasady i reguły są ważne, o tyle dla większości ludzi nie są one zbyt fascynujące.

Z tego względu w niniejszej książce nie będziemy się zbytnio nimi zajmować. Zainteresowani czytelnicy mogą ich poszukać gdzie indziej. Moim celem było skupienie się na tematach, które uważam za istotne i ciekawe w chemii. W trakcie pisania starałam się brać przykład z mojego nauczyciela chemii, pana Smailesa, który pokazał mi, jak zrobić mydło oraz nylon i nosił naprawdę fantastyczne krawaty.

1. Atomy

Atomy to składniki budulcowe substancji chemicznych i Wszechświata. Tworzą one pierwiastki, planety, gwiazdy i… Ciebie. Kto zrozumie atomy oraz to, z czego się one składają i jak między sobą oddziałują, będzie mógł wyjaśnić prawie wszystkie procesy, które zachodzą w laboratorium i w przyrodzie.

LINIA CZASU

ok. 400 p.n.e.

Grecki filozof Demokryt opisuje niepodzielne, podobne do atomu cząstki

1803

John Dalton proponuje teorię atomową

1904

Model atomu typu „ciasto z rodzynkami” autorstwa Josepha Johna Thomsona

1911

Ernest Rutherford opisuje jądro atomowe

1989

Badacze z IBM, stosując technologię zdolną do manipulowania pojedynczymi atomami, układają z nich napis „IBM”

2012

Odkrycie bozonu Higgsa uzupełnia standardowy model atomu

Bill Bryson napisał kiedyś takie słynne zdanie, że każdy z nas może nosić w sobie nawet do miliarda atomów, które kiedyś należały do Williama Szekspira. Pewnie wielu z was pomyśli: „Ciekawe, to całkiem dużo atomów nieżyjącego już Szekspira”. I tak, i nie. Z jednej strony miliard (1 000 000 000) to mniej więcej liczba sekund, jaka upłynie dla każdego z nas od momentu narodzin do dnia 33. urodzin. Z drugiej strony miliard to liczba ziarenek soli, które mogłyby wypełnić standardową wannę i mniej niż jedna miliardowa jednej miliardowej liczby wszystkich atomów w naszym ciele. Na tym przykładzie widać, jak niewielki jest atom – tylko w twoim ciele jest ich miliard razy miliard razy miliard, co oznacza, że nikt z nas nie ma wystarczającej liczby atomów Szekspira, która byłaby potrzebna do utworzenia jednej komórki mózgowej.

Życie a brzoskiwinia Atomy są tak maleńkie, że do niedawna nie można było ich zobaczyć. Sytuacja zmieniła się dzięki mikroskopom o bardzo wysokiej rozdzielczości. W 2012 roku australijskim naukowcom udało się nawet wykonać zdjęcie cienia rzucanego przez pojedynczy atom. Jednak chemikom wcale to nie było niezbędne do zrozumienia, że na pewnym elementarnym poziomie atomy mogłyby wyjaśnić wszystkie procesy zachodzące w laboratorium i w życiu. Większość zjawisk chemicznych opiera się nawet na jeszcze mniejszych cząsteczkach znajdujących się w obrębie atomu – elektronach, które krążą po zewnętrznych powłokach atomu.

Teoria atomowa i reakcje chemiczne

W 1803 roku angielski chemik John Dalton wygłosił wykład, podczas którego przedstawił teorię materii opartą na niezniszczalnych cząstkach zwanych atomami. Stwierdził, że różne pierwiastki składają się z różnych atomów, które mogą się ze sobą łączyć, aby tworzyć związki oraz że reakcje chemiczne polegają na zmienianiu układu owych atomów.

Jeśli można by przyrównać atom do brzoskwini, to pestka byłaby centralnie położonym jądrem zawierającym protony i neutrony, a soczysty miąższ składałby się z elektronów. Gdyby taka brzoskwinia byłaby naprawdę wielkości atomu, jej większa część składałaby się z miąższu, a pestka byłaby tak mała, że można byłoby ją połknąć bez zauważenia – na tym przykładzie widać, jak wielka część atomu składa się z elektronów. Rdzeń atomu sprawia jednak, że atom nie rozpada się. Taki rdzeń zawiera protony, czyli cząsteczki o ładunku dodatnim, które w wystarczający sposób przyciągają elektrony o ładunku ujemnym, by te nie odfrunęły w różnych kierunkach.

Dlaczego atom tlenu jest atomem tlenu? Nie wszystkie atomy są takie same. Pewnie wielu z was już zauważyło, że atom nie ma zbyt wiele wspólnego z brzoskwinią, jednak pozostańmy przy tej owocowej metaforze. Atomy mają różne rodzaje i „smaki”. Gdyby nasza brzoskwinia była atomem tlenu, to śliwka mogłaby być np. atomem węgla. W obu mamy małe kuleczki elektronów otaczające protonową pestkę, choć mają one zupełnie różne cechy. Atomy tlenu występują w parach (O₂), podczas gdy atomy węgla ściskają się razem ze sobą, tworząc twarde substancje, takie jak diament oraz wkład do ołówka (C). Fakt, że są różnymi pierwiastkami (zob. rozdział 2) wynika z tego, że mają różną ilość protonów. Tlen ma osiem protonów, a więc o dwa więcej niż węgiel. Naprawdę duże pierwiastki ciężkie, takie jak seaborg i nobel mają ponad sto protonów w każdym ze swoich jąder. Kiedy w maleńkim jądrze ściśniętych jest aż tyle ładunków dodatnich, które się nawzajem odpychają, bardzo łatwo dochodzi do zaburzenia równowagi, przez co pierwiastki ciężkie są niestabilne.

Podział atomu

Wczesna wersja modelu atomu typu „ciasto z rodzynkami” autorstwa J.J. Thomsona zakładała, że atom jest „ciastem” o ładunku dodatnim, a rozsiane w nim równomiernie „rodzynki” (elektrony) mają ładunki ujemne. Model ten został zrewidowany; obecnie wiemy, że protony i inne subatomowe cząstki zwane neutronami tworzą maleńkie, zagęszczone centrum atomu, a elektrony – otaczającą owe centrum chmurę. Wiemy również, że protony i neutrony zawierają jeszcze mniejsze cząstki zwane kwarkami. Chemicy raczej nie poświęcają im większej uwagi, ponieważ są one domeną fizyków, którzy zderzają ze sobą atomy w akceleratorze cząstek, aby otrzymać te maleńkie cząstki. Należy jednak pamiętać, że naukowy model atomu oraz poglądy dotyczące uporządkowania materii w naszym Wszechświecie wciąż ewoluują. Na przykład odkrycie bozonu Higginsa w 2012 roku potwierdziło istnienie cząstki, którą fizycy już wcześniej włączyli do swojego modelu i z której korzystali, aby przedstawiać prognozy dotyczące innych cząstek. Wciąż jednak konieczne są badania, aby móc stwierdzić, czy jest to ów typ bozonu Higgsa, którego naukowcy rzeczywiście poszukiwali.

Zazwyczaj dany atom, niezależnie od swojego „smaku”, ma taką samą liczbę elektronów co znajdujących się w jądrze protonów. Jeśli jeden z elektronów odłączy się lub dany atom przyłączy nadprogramowy elektron, wówczas ładunki dodatnie i ujemne przestają się równoważyć, a atom staje się tym, co chemicy nazywają „jonem” – atomem lub cząsteczką o danym ładunku. Jony są ważne, ponieważ ich ładunki pozwalają różnym substancjom „trzymać się” razem, np. chlorkowi sodu w soli kuchennej lub węglanowi wapnia w kamieniu kotłowym.

Elementy budulcowe organizmów Oprócz tworzenia wszystkiego, co mamy w szafkach kuchennych, atomy składają się na wszystko, co pełza, oddycha lub zapuszcza korzenie, formując niesamowicie skomplikowane cząsteczki, takie jak DNA oraz białka budujące nasze mięśnie, kości i włosy. Możliwe jest to dzięki tworzeniu wiązań między atomami (zob. rozdział 5). Fascynującym aspektem całego życia ziemskiego jest to, że pomimo jego wielkiej różnorodności, zawiera ono przede wszystkim jeden, konkretny atom – węgiel.

‘ Piękno żywej istoty nie polega na atomach, które ją tworzą, lecz na tym, jak są one ułożone. ’

Carl Sagan

Czy to bakterie przylegające do organizmów żywych wokół kominów hydrotermalnych w najgłębszych i najciemniejszych częściach oceanów, czy to ptaki szybujące wysoko na niebie – na całej Ziemi nie ma organizmu, który nie miałby w sobie atomów węgla. Ze względu na to, że dotychczas nie udało się odkryć innych form życia, nie wiemy, czy sposób, w jaki rozwinęło się nasze życie, był dziełem przypadku, czy organizmy mogłyby rozwijać się, korzystając z innych typów atomów. Fanom science fiction na pewno nie jest obca alternatywna biologia. Na przykład w filmach Star Trek i Gwiezdne Wojny pojawiły się istoty zbudowane z krzemu – jako obce formy życia.

Atom po atomie Postęp w dziedzinie nanotechnologii (zob. rozdział 45), który obiecuje nam np. bardziej wydajne panele słoneczne czy leki, które niszczą komórki nowotworowe, znacznie przybliżył nam świat atomów. Narzędzia nanotechnologiczne działają w skali jednej miliardowej metra. To nadal więcej niż atom, ale taka skala pozwala już na myślenie o indywidualnym manipulowaniu atomami i cząsteczkami. W 2013 roku naukowcy z IBM stworzyli najmniejszą na świecie animację poklatkową przedstawiającą chłopca bawiącego się piłką. Zarówno chłopiec, jak i piłka składali się z atomów miedzi, z których wszystkie były widoczne pojedynczo na animacji. Wreszcie nauka zaczyna pracować w skali odpowiadającej spojrzeniu chemika na świat.

rozdział w pigułce

Cegiełki budulcowe

2. Pierwiastki

Chemicy wkładają sporo wysiłku w odkrywanie nowych pierwiastków, czyli najbardziej podstawowych substancji chemicznych. Układ okresowy pozwala nam na uporządkowanie tych odkryć, lecz w żadnym wypadku nie jest to zwykły katalog. Prawidłowości wynikające z układu okresowego zdradzają nam informacje na temat każdego z pierwiastków oraz ich potencjalnego zachowania, gdy natrafią na inne pierwiastki.

LINIA CZASU

1669

Pierwszy pierwiastek (fosfor) zostaje odkryty metodą chemiczną

1869

Mendelejew publikuje pierwszą wersję układu okresowego pierwiastków

1913

Henry Moseley definiuje pierwiastki na podstawie ich liczby atomowej

1937

Stworzenie pierwszego syntetycznego pierwiastka – technetu

2000

Rosyjscy naukowcy otrzymują superciężki pierwiastek liwermor

2010

Ogłoszenie odkrycia pierwiastka o liczbie atomowej 117 (tenes, dawniej ununseptium)

XVII-wieczny alchemik Hennig Brand był poszukiwaczem złota. Po zawarciu małżeństwa porzucił swoją pracę jako oficer w armii i wykorzystał majątek swojej żony do sfinansowania poszukiwań kamienia filozoficznego – tajemniczej substancji lub minerału poszukiwanego przez całe wieki przez alchemików. Według legendy taki kamień miał przemieniać zwykłe metale, takie jak żelazo lub ołów w złoto. Po śmierci żony Brand ożenił się ponownie i kontynuował swoje badania. Najwyraźniej stwierdził, że kamień filozoficzny można uzyskać z płynów cielesnych, więc zakupił aż ponad 5500 litrów ludzkiego moczu, z którego zamierzał wydestylować ów kamień. Ostatecznie w 1669 roku dokonał zaskakującego odkrycia, lecz nie był to wcale kamień filozoficzny. Poprzez swoje eksperymenty, które polegały m.in. na gotowaniu i rozdzielaniu moczu, Brand mimowolnie stał się pierwszą osobą, której udało się odkryć pierwiastek za pomocą metod chemicznych.

Brand uzyskał związek zawierający fosfor, który nazwał „zimnym ogniem” ze względu na jego właściwość świecenia się w ciemności. Jednak fosfor został uznany za pełnoprawny pierwiastek dopiero w latach 70. XVIII wieku. W tym czasie lawinowo dokonywano odkryć nowych pierwiastków – chemicy wyizolowali tlen, azot, chlor oraz mangan i to wszystkie w ciągu jednej dekady. W 1869 roku, dwa wieki po odkryciu Branda, rosyjski chemik Dmitrij Mendelejew stworzył układ okresowy, w którym fosfor zajął swoje prawowite miejsce między krzemem a siarką.

Jak rozszyfrować układ okresowy?

W układzie okresowym pierwiastki są oznaczone za pomocą liter. Niektóre z nich są jawnymi skrótami, tj. „W” na oznaczenie wolframu, podczas gdy inne oznaczenia nie wydają się już tak logiczne, np. „Si” na oznaczenie krzemu (od nazwy silicium powstałej po połączeniu łacińskiego słowa oznaczającego krzem i odpowiedniego sufiksu). Przy symbolu pierwiastka lewy górny indeks to liczba masowa, czyli liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze pierwiastka. Zapisana w indeksie dolnym liczba to liczba protonów (liczba atomowa).

Czym jest pierwiastek?

Przez długi czas za pierwiastki uważano ogień, powietrze, wodę i ziemię. Tajemniczy piąty pierwiastek – eter – miał wyjaśniać istnienie gwiazd, ponieważ te – według Arystotelesa – nie mogły składać się z żadnych ziemskich pierwiastków. Słowo „pierwiastek” to po łacinie elementum, co oznacza „pierwszą zasadę” lub też „najbardziej podstawową, elementarną formę”. Jest to całkiem niezły opis, ale nie do końca wyjaśnia on różnicę między pierwiastkami a atomami.

Różnica ta jest prosta. Pierwiastki są substancjami w dowolnej ilości; atomy są podstawowymi jednostkami. Bryłka odkrytego przez Branda fosforu – który przy okazji jest substancją toksyczną i składnikiem gazów będących neurotoksynami – jest zbiorem atomów jednego konkretnego pierwiastka. Co ciekawe, nie każda bryłka fosforu będzie wyglądała identycznie, ponieważ jego atomy mogą układać się na różne sposoby, zmieniając strukturę wewnętrzną oraz wygląd zewnętrzny. W zależności od ułożenia atomów, fosfor może przybierać białą, czarną, czerwoną lub fioletową barwę. Te odmiany także inaczej się zachowują – na przykład mają różną temperaturę topnienia. Biały fosfor topi się już pod wpływem promieni słonecznych w gorący dzień, a czarny fosfor musiałby w tym celu zostać wrzucony do rozpalonego do czerwoności pieca przemysłowego o temperaturze ponad 600°C. Obie odmiany składają się jednak z tych samych atomów zawierających po 15 protonów i 15 elektronów.

Wzory ukryte w układzie okresowym Dla niewprawionego oka układ okresowy może wyglądać jak trochę gra Tetris, w której – w zależności od jej wersji – pewne klocki nie przemieściły się jeszcze na dół. Stąd mogłoby wydawać się, że tablicy Mendelejewa przydałoby się trochę porządku. Wbrew pozorom, ten chaos jest bardzo dobrze uporządkowany, a każdy chemik jest w stanie szybko znaleźć w nim to, czego potrzebuje. Tajemnica tkwi w sprytnym systemie Mendelejewa, który skrywa w sobie różne wzory porządkujące pierwiastki według ich struktury atomowej i zachowania chemicznego.

W rzędach od lewej do prawej pierwiastki są ułożone według liczby atomowej, czyli liczby protonów, które każdy pierwiastek ma w swoim jądrze. Lecz prawdziwy geniusz wynalazku Mendelejewa polegał na dostrzeżeniu, kiedy właściwości pierwiastków zaczynają się powtarzać i kiedy należy ułożyć rząd w innej pozycji. Stąd właśnie mamy też kolumny zawierające bardziej subtelne informacje. Weźmy na przykład kolumnę najbardziej po prawej, która przebiega od helu do radonu. Są to gazy szlachetne – wszystkie z nich są w zwyczajnych warunkach bezbarwne i bardzo leniwe, jeśli chodzi o „angażowanie się” w jakiekolwiek reakcje chemiczne. Na przykład neon jest tak mało reaktywny, że nie można go „przekonać” do utworzenia związku z jakimkolwiek innym pierwiastkiem. Wynika to z jego konfiguracji elektronów. W każdym atomie elektrony są ułożone w koncentryczne warstwy lub powłoki, które mogą być zajęte tylko przez pewną liczbę elektronów. Kiedy tylko dana powłoka się zapełni, kolejne elektrony muszą zacząć zapełniać nową zewnętrzną powłokę. Ze względu na to, że liczba elektronów w każdym pierwiastku wzrasta wraz z rosnącą liczbą atomową, każdy pierwiastek ma inną konfigurację elektronową. Główną cechą gazów szlachetnych jest to, że ich najbardziej zewnętrzne powłoki są zapełnione. Taka pełna struktura jest bardzo stabilna, co oznacza, że niełatwo jest nakłonić elektrony do jakiegokolwiek działania.

‘ Świat reakcji chemicznych jest niczym scena, a występującymi na niej aktorami są pierwiastki. ’

Clemens Alexander Winkler, odkrywca germanu

W układzie okresowym możemy wyróżnić wiele innych prawidłowości. Im bliżej prawej strony układu, czyli gazów szlachetnych lub im bliżej górnego rzędu, tym więcej wysiłku (energii) potrzeba, by odszczepić elektron od atomu danego pierwiastka. W środku układu znajdują się głównie metale, które są tym bardziej metaliczne, im bliżej są położone lewego rogu. Chemicy korzystają z tych prawidłowości, by przewidywać, jak dane pierwiastki zachowają się podczas reakcji.

Wagi superciężkie Zarówno w chemii, jak i w boksie istnieje pojęcie „wagi superciężkiej”. Podczas gdy przedstawiciele wagi muszej – atomy wodoru i helu – mają łącznie trzy protony, inne pierwiastki „spadły” do dolnego rzędu ze względu na swoje duże liczby atomowe. Z biegiem lat układ okresowy rozwijał się i był poszerzany o nowe odkrycia i cięższe pierwiastki. Radioaktywny uran o liczbie atomowej 92 jest ostatnim występującym w przyrodzie pierwiastkiem o tak dużej liczbie. Mimo że naturalny rozkład uranu skutkuje powstaniem plutonu, to jego ilości są niezwykle małe. Pluton odkryto w reaktorze nuklearnym. Z kolei inni przedstawiciele wagi superciężkiej powstają poprzez zderzanie ze sobą atomów w akceleratorze cząstek. To jeszcze nie koniec poszukiwania pierwiastków, choć na pewno obecnie jest to znacznie trudniejsze niż podgrzewanie płynów z naszego ciała.

Polowanie na najcięższego z najcięższych

Nikt nie lubi oszustów, jednak znajdziemy ich w każdym zawodzie i nauka nie stanowi tu wyjątku. W 1999 roku naukowcy z laboratorium Lawrence Berkeley w Kalifornii opublikowali artykuł naukowy szumnie ogłaszający odkrycie przez nich superciężkich pierwiastków: 116 (liwermor) i 118 (ununoctium, obecnie: oganeson). Lecz coś się jednak nie zgadzało. Po przeczytaniu artykułu inni naukowcy próbowali powtórzyć owe eksperymenty, ale niezależnie od tego, jak bardzo się starali, nie mogli zsyntetyzować ani jednego atomu pierwiastka 116. Okazało się, że jeden z „odkrywców” sfabrykował dane, przez co ośmieszony amerykański rząd musiał wycofać się z oświadczeń o światowej klasy odkryciu, które sam sfinansował. Artykuł został wycofany, a laury za odkrycie liwermoru trafiły rok później do rosyjskiego zespołu badaczy. Naukowiec, który sfałszował dane, stracił posadę. Prestiż związany z odkryciem nowych pierwiastków jest obecnie tak duży, że naukowcy są nawet gotowi ryzykować swoją karierę.

rozdział w pigułce

Najprostsze substancje

3. Izotopy

Izotopy to nie tylko zabójcze substancje używane do konstruowania bomb i zatruwania ludzi. Pojęcie izotopu dotyczy różnych pierwiastków chemicznych o lekko zmodyfikowanej liczbie cząstek subatomowych. Izotopy występują w powietrzu, które wdychamy oraz w wodzie, którą pijemy. Można użyć ich nawet to zatopienia lodu (w całkowicie bezpieczny sposób).

LINIA CZASU

XVI wiek

Alchemicy próbują dokonywać „transmutacji” substancji w celu uzyskania cennych metali

1896

Pierwsze zastosowanie promieniowania w terapii nowotworów

1920

Pierwszy opis „neutralnych dubletów” (neutronów) przez Ernesta Rutherforda

1932

James Chadwick odkrywa neutron

1960

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii zostaje przyznana Willardowi Libby’emu za metodę datowania radiowęglowego za pomocą węgla-14

2006

Aleksandr Litwinienko umiera na skutek zatrucia radioaktywnym polonem

Lód unosi się na wodzie. Pod warunkiem, że się nie topi. Wszystkie atomy danego pierwiastka są takie same z wyjątkiem sytuacji, kiedy są różne. Weźmy najprostszy pierwiastek – wodór. Wszystkie atomy tego pierwiastka mają po jednym protonie i jednym elektronie. Gdyby atom wodoru nie miał tego jednego protonu w swoim jądrze, nie nazwalibyśmy go już atomem wodoru. A co, jeśli do tego pojedynczego protonu dołączyłby neutron? Czy wciąż mielibyśmy do czynienia z wodorem?

Neutrony były brakującym elementem układanki, który wymykał się wiedzy chemików i fizyków do lat 30. XX wieku (zob. Zaginione neutrony, ramka). Te cząstki o ładunku obojętnym w ogóle nie wpływały na ładunek atomu, lecz miały istotny wpływ na jego masę. Różnica masy między jednym a dwoma neutronami w rdzeniu atomu wodoru jest wystarczająca do zatopienia lodu.

Ciężka woda Dodatkowy neutron w atomie wodoru powoduje ogromną różnicę – w przypadku tych atomów wagi lekkiej jest to przecież podwojenie liczby posiadanych przez nich nukleonów. W efekcie otrzymujemy „ciężki wodór”, zwany deuterem (D lub ²H). Tak jak zwykłe atomy wodoru, atomy deuteru również łączą się z tlenem, tworząc wodę. Oczywiście nie jest to zwyczajna woda (H₂O). Jest to woda z dodatkowymi neutronami, czyli tzw. ciężka woda (D₂O) lub tlenek deuteru. Teraz weź ciężką wodę (można ją bez problemu zakupić w Internecie) i zamróź ją w foremce do kostek lodu. Następnie wrzuć jedną kostkę do szklanki ze zwykłą wodą. Bingo – kostka zatapia się! Dla porównania można również wrzucić kostkę lodu ze zwykłej wody, aby móc podziwiać, jak wiele zmienia jedna cząstka subatomowa w atomie.

Zaginione neutrony

Odkrycie neutronów przez fizyka Jamesa Chadwicka, który w późniejszym czasie pracował nad bombą atomową, rozwiązało palący problem związany z masą pierwiastków. Przez lata było oczywiste, że atomy każdego pierwiastka są cięższe niż powinny być. Chadwick uważał, że jądra atomowe nie mogą ważyć tyle, ile ważą, jeśli zawierałyby tylko protony. To tak, jakby każdy z pierwiastków miał przy sobie jeszcze walizkę wypełnioną cegłami. Tylko, że nikt nie był w stanie zidentyfikować tych cegieł. Pod wpływem swojego opiekuna Ernesta Rutherforda, Chadwick uznał, że atomy „szmuglują” cząstki subatomowe. Rutherford opisał owe neutralne dublety (neutrony) w 1920 roku. Chadwickowi udało się jednak dopiero w 1932 roku znaleźć konkretny dowód na poparcie tej teorii. Zaobserwował on, że podczas bombardowania srebrzystego metalu – berylu – promieniowaniem z polonu dochodzi do emisji subatomowych cząstek o ładunku obojętnym – neutronów.

W przyrodzie około jeden na 6400 atomów wodoru ma dodatkowy neutron. Istnieje jeszcze trzeci typ – czy też raczej izotop – wodoru, który jest znacznie rzadszy i mniej bezpieczny do eksperymentowania w domu. Jest to tryt – izotop wodoru, w którym każdy atom zawiera jeden proton i dwa neutrony. Tryt jest jednak niestabilny i tak jak inne pierwiastki radioaktywne ulega rozpadowi promieniotwórczemu. Używa się go w mechanizmie powodującym zapłon bomb wodorowych.

Radioaktywność Pojęciu izotopu często towarzyszy słowo „radioaktywny”, co może prowadzić do przeświadczenia, że wszystkie izotopy są radioaktywne. Lecz tak nie jest. Jak się przekonaliśmy, istnieją izotopy wodoru, które nie są radioaktywne. Innymi słowy, są one stabilnymi izotopami. Podobnie w przyrodzie występują stabilne izotopy węgla, tlenu i innych pierwiastków.

Niestabilne, radioaktywne izotopy ulegają rozkładowi – ich atomy rozpadają się, zrzucając materię ze swojego rdzenia pod postacią protonów, neutronów i elektronów (zob. Rodzaje promieniowania, ramka). W rezultacie ich liczba atomowa zmienia się, a one same mogą przemieniać się w zupełnie inne pierwiastki. Dla alchemików z XVI i XVII wieku, którzy mieli obsesję na punkcie odkrywania sposobów przemieniania jednego pierwiastka w drugi (najlepiej w złoto), mogłoby to brzmieć jak magia.

Rodzaje promieniowania

Promieniowanie alfa, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów, jest odpowiednikiem jądra atomowego helu. Jest ono słabe i można je zatrzymać za pomocą kartki papieru. Promieniowanie beta to szybko poruszające się elektrony, które przenikają przez skórę. Promieniowanie gamma jest, tak jak światło, energią elektromagnetyczną i można je jedynie zatrzymać grubą warstwą ołowiu. Jego wpływ jest bardzo szkodliwy. Silne promieniowanie gamma stosuje się do niszczenia guzów nowotworowych.

Wszystkie pierwiastki radioaktywne rozpadają się w różnym tempie. Węgla-14, czyli odmiany węgla z czternastoma nukleonami w jądrze zamiast zwyczajowych dwunastu, można używać bez specjalnych środków ostrożności. Gdybyśmy mieli odmierzyć jeden gram węgla-14 i odłożyć go na parapecie, musielibyśmy długo czekać na rozkład jego atomów. Rozpad około połowy atomów węgla w naszej próbce zająłby 5700 lat. Taka miara czasu czy też rozpadu nazywana jest „okresem połowicznego rozpadu”. Dla porównania, okres połowicznego rozpadu polonu-214 wynosi mniej niż jedną tysięczną sekundy, co oznacza, że w zwariowanym, równoległym świecie, w którym moglibyśmy odmierzyć jeden gram radioaktywnego polonu, nie mielibyśmy nawet możliwości odłożenia go na parapet, bo już wcześniej doszłoby do niebezpiecznego rozpadu.

Były szpieg rosyjski, Alexandr Litwinienko i, prawdopodobnie, przywódca palestyński Jasir Arafat zostali uśmierceni bardziej stabilnym izotopem polonu, którego czas rozpadu mierzy się dniami, a nie sekundami, choć ma działanie śmiertelne. Promieniowanie uwolnione przez rozpad jąder polonu-210 rozrywa komórki w ludzkim ciele powodując ból, nudności oraz załamanie się układu odpornościowego. W śledztwach dotyczących takich przypadków naukowcy szukali produktów rozpadu polonu, ponieważ po polonie-210 w momencie badania nie mogło być już śladu.

‘ Rzadko kiedy pojedyncze odkrycie w chemii miało tak znaczny wpływ na sposób myślenia na tak wielu obszarach ludzkich starań. ’

Prof. A. Westgren podczas laudacji z okazji otrzymania Nagrody Nobla z chemii przez Willarda Libby’ego za metodę datowania radiowęglowego

Powrót do przyszłości Izotopy radioaktywne mogą mieć działanie śmiertelne, lecz mogą także pomóc nam zrozumieć naszą przeszłość. Węgiel-14, który w naszym przykładzie pozostawiliśmy na parapecie okiennym, znajduje zastosowanie w badaniach naukowych. Jednym z nich jest ustalanie wieku skamielin przez datowanie radiowęglowe, a innym – zdobywanie wiedzy o klimacie w przeszłości. Dzięki temu, że wiemy, ile czasu izotopy radioaktywne potrzebują do rozpadu, naukowcy są w stanie obliczyć wiek artefaktów, martwych zwierząt lub mieszaniny powietrza z dawnych czasów, zachowanej w lodzie – wszystko za pomocą analizy poziomu różnych izotopów. W trakcie swojego życia każde zwierzę wdycha niewielkie ilości węgla-14, który naturalnie występuje w dwutlenku węgla. Proces ten ulega zatrzymaniu w momencie śmierci zwierzęcia. Wówczas zawarty w jego ciele węgiel-14 zaczyna się rozpadać. Naukowcy wiedząc, że okres połowicznego rozpadu węgla-14 wynosi 5700 lat, mogą obliczyć datę śmierci zwierząt, które dały podstawę skamielinom.

Wywiercenie otworów w rdzeniu lodu z pokrywy lodowej lub lodowców zamrożonych od tysięcy lat przedstawia nam gotową oś czasu zmian atmosferycznych dzięki obecnym tam izotopom. Taka wiedza o przeszłości może nam pomóc przewidzieć, co stanie się z naszą planetą w przyszłości, w miarę jak będzie wzrastał poziom dwutlenku węgla.

rozdział w pigułce

Jeden neutron = wielka różnica

4. Związki

W chemii istnieją substancje, które zawierają tylko jeden pierwiastek, a także takie, które składają się z kilku – są to związki. Nadzwyczajna różnorodność chemii staje się widoczna, kiedy pierwiastki połączą się. Trudno jest oszacować, ile istnieje związków chemicznych – co roku syntetyzuje się nowe związki, które mają rozmaite zastosowania.

LINIA CZASU

1718

Étienne François Geoffroy tworzy „tabele powinowactwa” ilustrujące dopasowanie substancji chemicznych

Początek XIX wieku

Claude-Louis Berthollet i Joseph-Louis Proust dyskutują na temat proporcji, w jakich łączą się pierwiastki.

1808

Chemiczna teoria atomowa Johna Daltona potwierdza, że pierwiastki łączą się w stałych proporcjach

1833

Michael Faraday i William Whewell przedstawiają definicję „jonu”

1962

Neil Bartlett wykazuje, że gazy szlachetne mogą tworzyć związki

2005

Dane szacunkowe dotyczące przestrzeni chemicznej dla jedenastoatomowych związków C, N, O i F

W nauce czasem zdarza się, że ktoś dokonuje odkrycia, które przeczy temu, co było uważane za podstawowe prawo przyrody. Wówczas przez chwilę ludzie drapią się po głowie i zastanawiają, czy być może jest to błąd lub czy przypadkiem ich dane nie były zafałszowane. W końcu kiedy pojawią się niezbite dowody, trzeba zmienić treść podręczników, a to z kolei pozwala na otworzenie nowego rozdziału w obszarze badań naukowych. Właśnie tak było, gdy Neil Bartlett odkrył nowy związek w 1962 roku.

Kiedy Bartlett dokonał odkrycia, pracował sam do późna w piątkowy wieczór w laboratorium. Pozwolił, by zmieszały się dwa gazy: ksenon i heksafluorek platyny, dając żółte ciało stałe. Jak się okazało, Bartlett otrzymał w ten sposób związek ksenonu. Nas może to wcale nie dziwić, ale wówczas większość naukowców uważała, że ksenon – tak jak inne gazy szlachetne – w ogóle nie wchodzi w reakcje i że przez to jest niezdolny do tworzenia związków. Ów nowy związek został nazwany heksafluoroplatynianem ksenonu, a odkrycie dokonane przez Bartletta wkrótce przekonało innych naukowców do tego, by poszukiwać innych związków gazów szlachetnych. W kolejnych dziesięcioleciach odkryto przynajmniej sto innych takich związków. Związków zawierających pierwiastki szlachetne zaczęto od tej pory używać do wytwarzania substancji antynowotworowych wykorzystywanych w laserowych operacjach oczu.

Parowanie Być może odkrycie Bartletta było rewolucją podręcznikową, jednak nie był to tylko i wyłącznie ładny przykład odkrycia naukowego, które obaliło szeroko uznawaną „prawdę”. Odkrycie to przypomina o tym, że pierwiastki (szczególnie te niereaktywne) nie są wcale tak użyteczne w pojedynkę. Oczywiście mają one pewne zastosowania – np. w neonach, nanorurkach węglowych i anestezji wykonywanej ksenonem, lecz tylko dzięki wypróbowywaniu nowych, czasem bardzo skomplikowanych połączeń pierwiastków chemicy mogą wytwarzać ratujące życie leki oraz innowacyjne materiały.

Związki czy cząsteczki?

Wszystkie cząsteczki zawierają więcej niż jeden atom. Atomy te mogą być atomami tego samego pierwiastka, tak jak w cząsteczce O₂ lub atomami różnych pierwiastków, tak jak w CO₂. Jednak z tych dwóch cząsteczek tylko CO₂ jest związkiem, ponieważ zawiera atomy różnych pierwiastków połączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi. Z tego wynika, że nie wszystkie cząsteczki są związkami. Ale czy wszystkie związki są cząsteczkami? Sprawę komplikują dodatkowo jony. Związki, których atomy tworzą jony o danym ładunku, nie tworzą klasycznych cząsteczek. Na przykład w soli garstka jonów sodu (Na⁺) jest związana z grupą jonów chloru (Cl–) w dużej, uporządkowanej i powtarzającej się strukturze krystalicznej. Z tego względu nie ma niezależnych „cząsteczek” chlorku sodu sensu stricto. W tym przypadku wzór chemiczny – NaCl – ilustruje stosunek jonów sodu do jonów chloru, a nie odnosi się do wyizolowanej cząsteczki. Z drugiej strony chemicy chętnie mówią potocznie o cząsteczkach chlorku sodu (NaCl).

Aby powstały użyteczne związki, które stanowią podstawę prawie wszystkich nowoczesnych produktów, takich jak paliwa, tkaniny, nawozy, barwniki, leki i detergenty, dwa pierwiastki muszą połączyć się ze sobą, a może i jeszcze z jednym i kolejnym pierwiastkiem. W naszych domach praktycznie nie znajdziemy niczego, co nie zawierałoby związków – chyba, że dana rzecz składa się z jednego, prostego pierwiastka chemicznego, tak jak węgiel we wkładzie ołówkowym. Nawet substancje, które rozwinęły się lub utworzyły same, tak jak woda czy drewno, są związkami. W rzeczywistości są one prawdopodobnie nawet jeszcze bardziej skomplikowane.

‘ Szukałem kogoś, z kim mogłem się podzielić tym ekscytującym odkryciem, lecz zdawało się, że wszyscy poszli sobie na obiad! ’

Neil Bartlett

Związki i mieszaniny Mówiąc o związkach musimy jednak poczynić pewne istotne rozróżnienia. Związki są substancjami chemicznymi zawierającymi dwa lub więcej pierwiastków. Lecz sam fakt znalezienia się dwóch lub nawet dziesięciu pierwiastków obok siebie w tym samym pomieszczeniu nie czyni ich jeszcze związkiem. W tym celu muszą się połączyć atomy tych pierwiastków, wytwarzając wiązania chemiczne. Bez wiązań chemicznych otrzymujemy jedynie coś w rodzaju koktajlu atomów z różnych pierwiastków, czyli to, co chemicy nazywają mieszaniną. Atomy niektórych pierwiastków również łączą się między sobą, tak jak tlen z powietrza, który najczęściej występuje jako O₂ – ditlen. Dwa atomy tlenu tworzą cząsteczkę tlenu. Taka cząsteczka tlenu nie jest związkiem, ponieważ zawiera tylko jeden rodzaj pierwiastka.

Związki są zatem substancjami zawierającymi więcej niż jeden rodzaj pierwiastka chemicznego. Woda jest związkiem, ponieważ zawiera dwa pierwiastki chemiczne: wodór i tlen. Jest również cząsteczką, ponieważ zawiera więcej niż jeden atom. Większość nowoczesnych materiałów i produktów komercyjnych to związki składające się z cząsteczek. Jednak nie wszystkie cząsteczki są związkami, a kwestią sporną jest to, czy wszystkie związki są cząsteczkami (zob. Związki czy cząsteczki?, ramka).

Polimery Niektóre związki są „związkami związków” – składają się one z podstawowych jednostek powtórzonych wielokrotnie, jak koraliki nanizane na sznurek. Takie związki nazywamy polimerami. Niektóre z nich można rozpoznać już po ich nazwie, np. polietylen z reklamówek na zakupy, polichlorek winylu (PVC) z płyt winylowych, polistyren z opakowań na wynos czy różnych gadżetów reklamowych. Również nylon i jedwab – co już jest mniej oczywiste – a także DNA wewnątrz naszych komórek oraz białka w naszych mięśniach są polimerami. Powtarzająca się jednostka we wszystkich polimerach – naturalna lub wykonana przez człowieka – jest nazywana monomerem. Jeśli połączymy ze sobą monomery, otrzymamy polimer. W przypadku nylonu pozwala to na spektakularny eksperyment wykonywany często w szkolnym laboratorium chemicznym. Polega on dosłownie na wyciągnięciu całkiem sporej długości „sznurka” nylonowego ze zlewki i nawinięciu go na szpulę, zupełnie jak kawałek włókna.

Jony

Kiedy atom zyskuje lub traci elektron o ładunku ujemnym, ta zmiana w równowadze ładunków powoduje, że cały atom przestaje być obojętny. Taki atom (mający ładunek) jest jonem. To samo może dziać się w przypadku cząsteczek, które tworzą „wieloatomowe” jony – na przykład jon azotanowy (NO₃–) lub krzemianowy (SiO₄4–). Wiązanie jonowe między jonami o przeciwnych ładunkach jest ważnym rodzajem wiązania i może powstawać tylko z atomów różnych pierwiastków.

Biopolimery Biopolimery, takie jak DNA, są tak skomplikowane, że natura potrzebowała milionów lat ewolucji, aby udoskonalić sztukę ich wytwarzania. Monomerami są w tym przypadku nukleotydy – skomplikowane substancje chemiczne stanowiące oddzielną grupę substancji. Łączą się one w długie łańcuchy polimerowe tworzące nasz kod DNA. W celu połączenia ze sobą monomerów DNA, natura wykorzystuje specjalne enzymy, aby dodawać poszczególne koraliki do łańcucha. To wprost niewiarygodne, że natura znalazła sposób, jak wytwarzać takie skomplikowane związki wewnątrz naszych ciał.

Ile w zasadzie istnieje związków? Mówiąc szczerze, nie wiadomo. W 2005 roku szwajcarscy naukowcy próbowali stwierdzić, ile związków zawierających tylko węgiel, azot, tlen lub fluor byłoby stabilnych. Doszli do wniosków, że takich związków jest prawie 14 miliardów, zakładając, że byłyby to związki zawierające do 11 atomów. Jak stwierdzili, „wszechświat chemiczny” jest naprawdę rozległy.

rozdział w pigułce

Kombinacje chemiczne

5. Jak to wszystko połączyć?

Dlaczego sól tworzy grudki? Dlaczego woda wrze w stu stopniach Celsjusza? I co ma wspólnego kawałek metalu ze społecznością hipisów? Na te i inne pytania można odpowiedzieć, przyglądając się maleńkim elektronom o ładunku ujemnym, które krążą między atomami i wokół nich.

LINIA CZASU

1819

Jöns Berzelius sugeruje, że wiązania chemiczne są wynikiem przyciągania elektrostatycznego

1873

Johannes Diderik van der Waals zapisuje równanie przedstawiające siły międzycząsteczkowe w gazach i cieczach

1912

Stworzenie koncepcji wiązania wodorowego przez Toma Moore i Thomasa Winmilla, co później zostanie przypisane Linusowi Paulingowi

1939

Publikacja Natury wiązania chemicznego autorstwa Linusa Paulinga

1954

Pauling otrzymuje Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za pracę nad wiązaniami chemicznymi

2012

Specjaliści od chemii kwantowej proponują nowe wiązanie chemiczne, które występuje w bardzo silnych polach magnetycznych, np. karłów (gwiazd)

Atomy trzymają się razem. Co by się stało, gdyby zachowywały się inaczej? Wszechświat byłby na przykład pogrążony w kompletnym chaosie. Bez wiązań i sił działających na materiały nic nie byłoby takie, jakie znamy. Wszystkie atomy składające się na nasze ciała, na gołębie, muchy, odbiorniki telewizyjne, płatki kukurydziane, Słońce i Ziemię pływałyby w wielkim, niemal nieskończonym morzu atomów. A więc jak atomy łączą się ze sobą?

Negatywne myślenie Wewnątrz cząsteczek i związków atomy są połączone swoimi elektronami – maleńkimi, subatomowymi cząstkami tworzącymi chmurę o ładunku ujemnym wokół jądra atomowego o ładunku dodatnim. Układają się one w warstwy lub powłoki wokół jądra atomowego, a ponieważ każdy pierwiastek ma inną liczbę elektronów, każdy pierwiastek ma też inną liczbę elektronów w najbardziej zewnętrznej powłoce. Fakt, że atom sodu ma chmurę elektronową wyglądającą nieco inaczej niż chmura elektronowa atomu chloru, wiąże się z pewnym ciekawym zjawiskiem. Dzięki temu atomy te mogą się ze sobą połączyć. Sód łatwo oddaje elektron ze swojej zewnętrznej powłoki. Utrata ujemnego ładunku sprawia, że atom ten staje się dodatni (Na⁺). Jednocześnie atom chloru chętnie przyjmuje ujemny elektron, który zapełnia jego zewnętrzną powłokę, przez co staje się jednostką o ładunku ujemnym (Cl–). Przeciwieństwa przyciągają się i tak tworzy się wiązanie chemiczne. W ten sposób powstaje sól – chlorek sodu (NaCl).

Wiązania pojedyncze, podwójne i potrójne

Mówiąc prosto, każde wiązanie kowalencyjne jest dzieloną wspólnie parą elektronów. Liczba elektronów, którą może dzielić się dany atom, jest zazwyczaj równa liczbie jego elektronów w zewnętrznej powłoce. Na przykład dwutlenek węgla może utworzyć do czterech wspólnych par lub czterech wiązań, ponieważ ma cztery elektrony walencyjne. Fakt, że węgiel może tworzyć cztery wiązania, jest istotny z punktu widzenia struktur niemal wszystkich związków organicznych (zawierających węgiel), w których szkieleciki węglowe są „przyozdobione” atomami innych pierwiastków. Na przykład w długołańcuchowych cząsteczkach organicznych atomy węgla dzielą się swoimi elektronami ze sobą, a także często z atomami wodoru. Czasami atomy dzielą się więcej niż jedną parą z drugim atomem. Możliwe są więc wiązania podwójne węgla z węglem lub wiązania podwójne węgla z tlenem. Istnieją również wiązania potrójne, w których atomy dzielą się trzema parami elektronów, choć nie wszystkie atomy mają trzy wolne elektrony. Wodór ma tylko jeden elektron.

Analizując układ okresowy, zaczynamy dostrzegać, w jaki sposób pierwiastki tracą i zyskują elektrony – wówczas zdajemy sobie sprawę, że dystrybucja ładunków ujemnych określa, jak atomy łączą się ze sobą. Sposób, w jaki elektrony są pozyskiwane, dzielone między sobą lub tracone, określa typy wiązań powstających między atomami oraz typy związków tworzonych przez te atomy.

„Sytuacja mieszkaniowa” Istnieją trzy główne typy wiązań chemicznych. Zacznijmy od wiązania kowalencyjnego, w którym każda cząsteczka w związku jest rodziną atomów, która dzieli się elektronami (zob. Wiązania pojedyncze, podwójne i potrójne, ramka). Te elektrony są jedynymi wspólnymi elektronami wśród członków tej samej cząsteczki. Można to sobie wyobrazić jako typ sytuacji mieszkaniowej – każda cząsteczka (rodzina) mieszka w ładnym domku jednorodzinnym, zajmując się swoimi sprawami i trzymając się razem. W taki oto sposób „egzystują” cząsteczki, takie jak dwutlenek węgla, woda i amoniak – składnik nawozów o nieprzyjemnym zapachu.

‘ Właśnie wróciłem z krótkiego urlopu, na który zabrałem ze sobą kilka kryminałów i Twoją Naturę wiązania chemicznego. Twoja książka była najbardziej wciągająca. ’

Amerykański chemik Gilbert Lewis w liście do Linusa Paulinga (1939)

Z kolei wiązania jonowe działają na zasadzie przyciągania się przeciwieństw, tak jak chlorek sodu z wspomnianej wcześniej soli. Ten rodzaj wiązania przypomina mieszkanie w bloku, gdzie każdy z mieszkańców ma z każdej strony sąsiada – także powyżej i poniżej. Nie ma pojedynczych domów – jest tylko jeden wielki blok z mieszkaniami. Mieszkańcy są przeważnie zaprzątnięci swoimi sprawami, lecz najbliżsi sąsiedzi oddają lub przyjmują elektron nie do pary – to właśnie ich łączy. W związkach z wiązaniami jonowymi atomy łączą się ze sobą, ponieważ istnieją jako jony o ładunku przeciwnym.

Istnieją też wiązania metaliczne. Wiązania występujące w metalach są nieco inne. Opierają się one również na zasadzie wzajemnie przyciągających się ładunków przeciwnych, lecz zamiast wysokich bloków przypominają raczej społeczność hipisów. Cała społeczność dzieli się elektronami. Elektrony o ładunku ujemnym przemieszczają się dookoła i są pobierane lub „odrzucane” przez jony metali o ładunku dodatnim. Ponieważ w takiej „społeczności” cała własność jest wspólna, nie ma zjawiska „kradzieży” – to tak, jakby wszystko opierało się na zasadzie wzajemnego zaufania.

Takie wiązania nie są jednak wystarczające, aby utrzymać w ryzach Wszechświat. Tak jak wewnątrz cząsteczek i związków występują silne wiązania, tak istnieją również słabsze siły, które łączą zbiory cząsteczek – zupełnie tak, jak więzi społeczne łączące społeczności. Jedne z najsilniejszych wiązań występują np. w wodzie.

Co czyni wodę tak wyjątkową Na pewno niewielu z nas nad tym się zastanawiało, lecz fakt, że woda gotuje się w naszych czajnikach w stu stopniach Celsjusza, jest dosyć dziwny. Temperatura wrzenia wody jest dużo wyższa, niż należałoby się spodziewać po czymś składającym się z tlenu i wodoru. Analizując układ okresowy, można przyjąć, że tlen zachowywałby się podobnie do innych pierwiastków z tej samej kolumny. Gdybyśmy jednak wytworzyli związki wodoru z trzema pierwiastkami położonymi poniżej tlenu, nie bylibyśmy na pewno w stanie przeprowadzić z nimi tak prostej czynności jak doprowadzenie do stanu wrzenia w czajniku. Wynika to z faktu, że temperatura wrzenia tych trzech pierwiastków wynosi mniej niż zero stopni Celsjusza, co oznacza, że w temperaturze pokojowej są one gazami. Poniżej temperatury zero stopni Celsjusza woda jest lodem w postaci ciała stałego. Dlaczego więc związek tlenu i wodoru pozostaje cieczą w tak wysokiej temperaturze?

Van der Waals

Oddziaływania van der Waalsa, które swoją nazwę zawdzięczają holenderskiemu fizykowi, są bardzo silnymi oddziaływaniami między atomami. Ich istnienie wynika z faktu, że nawet w stabilnych atomach i cząsteczkach elektrony nie są nieruchome, co powoduje nieznaczne przesunięcia w dystrybucji ładunku. Oznacza to, że dana ujemna część cząsteczki może przejściowo przyciągnąć dodatnią część innej cząsteczki. Bardziej trwałe rozdziały ładunków pojawiają się w cząsteczkach polarnych, takich jak woda, co pozwala na trochę silniejsze przyciąganie. Wiązanie wodorowe jest specjalnym przypadkiem tego typu oddziaływania, tworzącym wyjątkowo silne wiązania międzycząsteczkowe.

Odpowiedzi należy szukać w siłach łączących i grupujących cząsteczki wody, dzięki którym nie rozchodzą się one na wszystkie strony, gdy tylko temperatura trochę wzrośnie. Są to tzw. „wiązania wodorowe” powstające między atomami wodoru w jednej cząsteczce a atomami tlenu w drugiej cząsteczce. W jaki sposób dochodzi do wykształcenia takiego wiązania? Tutaj ważną rolę odgrywają znów elektrony. Wyobraźmy sobie, że dwa atomy wodoru w cząsteczce wody dzielą łóżko z atomem tlenu, który zabiera całą kołdrę (elektrony o ładunku ujemnym) dla siebie. Wówczas te częściowo dodatnie atomy wodoru szukają sobie atomów tlenu z taką „kołdrą” z innych cząsteczek wody, które są bardziej ujemne. Ponieważ każda cząsteczka wody zawiera dwa atomy wodoru, może wykształcić dwa wiązania wodorowe z innymi cząsteczkami wody. Te właśnie wiązania wyjaśniają siatkową strukturę lodu oraz napięcie powierzchniowe wody w stawie, które pozwala niektórym insektom poruszać się po jej powierzchni.

rozdział w pigułce

Dzielenie się elektronami